ES2283353T3 - Un sistema de comunicaciones inalambricas de plataformas multiples para una variedad de diferentes tipos de usuario. - Google Patents

Abstract

Un sistema móvil (100) de comunicaciones inalámbricas para una variedad de diferentes tipos de usuario móvil (116, 120) que comprende: una pluralidad de nodos de transpondedor basados en plataforma (P1, P2, P3, P4); unos medios destinados a proveer una pluralidad de unidades individuales de recurso (P1-C1, P4-C4) cada uno asociado con uno en particular de uno de dicha pluralidad de nodos de transpondedor (P1, P2, P3, P4) y uno de una pluralidad de códigos de CDMA disponibles (C1, C2, C3, C4) cuya pluralidad de unidades de recurso crea una plataforma- espacio de código; y una pluralidad de terminales móviles (116, 120), cada uno de los cuales está asignado a operar en una o más de dicha pluralidad de unidades de recurso individuales; unos medios para asignar cada una de dicha pluralidad de unidades de recurso individuales (P1-C1, P4-C4) como máximo a una de dicha pluralidad de terminales móviles (116, 120) en cualquier instante; y un concentrador central (110) de tratamiento, que establece enlaces a uno o más de dichos usuarios (116, 120) a través de uno o más de dicha pluralidad de nodos de transpondedor (102, 104) en el que el nodo de transpondedor y el código específicos usados para completar cada uno de dichos enlaces vienen determinados por las unidades de recurso (P1-C1, P4-C4) asignadas al usuario; en el que dicho concentrador central (110) de tratamiento está destinado a tratar previamente las señales para transmisión de enlace directo de tal manera que se radien con retardos de tiempo compensatorios a un usuario previsto de dicha pluralidad de usuarios móviles (116, 120) que recibe coherentemente todas de las citadas señales previstas para él.

Description

Un sistema de comunicaciones inalámbricas de plataformas múltiples para una variedad de diferentes tipos de usuario.

Campo técnico

El presente invento se refiere en general a un sistema de comunicaciones inalámbricas. Más específicamente, el presente invento se refiere a un sistema de comunicaciones inalámbricas de transpondedores múltiples que logra una utilización mejor de los recursos totales del sistema permitiendo combinaciones flexibles de tipos de usuario.

Técnica anterior

Los sistemas móviles actuales de comunicaciones vía satélite, tales como Iridium, Globalsatar, e ICO, utilizan terminales de usuario de bajo coste como una de sus características de sistema fundamentales. Para mantener el enlace de comunicaciones con estos sistemas móviles actuales, los satélites del sistema proveen servicios de haces múltiples y servicios de alta ganancia a los abonados. Los terminales de mano de bajo coste y baja ganancia utilizado por los usuarios de estos sistemas. transmiten y reciben señales a y desde satélites de altas prestaciones que pueblan casi la totalidad del hemisferio. Algunos de estos sistemas actuales requieren acceso al menos a dos satélites para asegurar un tratamiento suave de transferencia de comunicaciones a medida que los satélites progresan de horizonte a horizonte. Como resultado, el sistema de satélites se hace más fiable y disponible a medida que entran más satélites en el campo de visión (en adelante FOV) de un usuario. Por tanto, las comunicaciones vía satélite provistas por estos sistemas actuales están dimensionadas para garantizar un número mínimo de satélites dentro del FOV de un usuario sobre amplias áreas de cobertura en cualquier instante.

Por ejemplo, en las patentes de EE.UU. Números 5.379.320 ó 5.423.059 se describen sistemas móviles de comunicaciones vía satélite.

La patente de EE.UU. Nº 5.379.320, por ejemplo, se refiere a un sistema de comunicaciones vía satélite que usa dos o más satélites para comunicación entre un terminal concentrador y terminales distantes simultáneamente. Se provee una distribución de tiempo de alta resolución mediante el uso de señales codificadas de espectro extendido. Una combinación de arquitectura de acceso múltiple con división de tiempos /de acceso múltiple con división de códigos recibe señales simultáneas de intensidades de señal que varían ampliamente. El terminal concentrador incorpora dos antenas de gran direccionalidad, cada una de las cuales ilumina un transpondedor geoestacionario separado de satélite con una señal codificada de espectro extendido, cada uno ortogonal al otro. Los terminales distantes emplean una antena de abertura de haz suficientemente pequeña para permitir la recepción simultánea de ambas señales de transpondedor ortogonal. Cada terminal distante transmite una señal que ilumina ambos transpondedores de satélite y es recibida por separado por cada una de las antenas del terminal concentrador.

Sin embargo, todos estos sistemas móviles actuales de comunicaciones vía satélite adolecen de ciertos inconvenientes. En primer lugar, todos ellos tienen recursos limitados de frecuencia (el término "frecuencia" se generaliza en la presente memoria para referirse a frecuencia, ranura de tiempo o código de acceso múltiple con división de código (en adelante CDMA)). Cualquier frecuencia determinada sobre una posición dada sobre el suelo solamente se puede utilizar por un usuario cada vez. De ese modo, si un usuario accede a un satélite usando una ranura de frecuencia particular para comunicar a su homólogo en la red, otros satélites y/u usuarios en la misma región no pueden volver a usar el mismo recurso de frecuencia en la misma área local. En particular, si un usuario secundario cercano tiene un microteléfono que requiere los mismos recursos de frecuencia que están siendo utilizados por el primer usuario, el segundo usuario es incapaz de acceder al sistema, incluso vía diferentes satélites. Esto es cierto con independencia de la sofisticación del sistema, incluyendo los sistemas que utilizan diseños de satélite de haces múltiples. Aún cuando los satélites múltiples estén disponibles en una ubicación geográfica determinada, el mismo espectro de frecuencias no puede usarlo más de un usuario en un área local. La disponibilidad de múltiples satélites sirve simplemente para aumentar la disponibilidad del sistema para el usuario. No obstante, la capacidad total de estos sistemas móviles de comunicaciones vía satélite todavía está limitada por su uso ineficaz de los recursos de frecuencia disponibles. Por tanto, el
desarrollo potencial de estos sistemas móviles actuales de comunicaciones vía satélite está inherentemente limitado.

Adicionalmente, los sistemas de telecomunicaciones actuales generalmente permiten sólo comunicaciones de móvil a concentrador y de concentrador a móvil en la mayoría de las constelaciones de satélites móviles de órbita terrestre baja y de órbita terrestre media. Los enlaces de móvil a móvil requieren múltiples saltos entre concentradores. Esto significa que el sistema debe comprometerse con dos o más recursos de frecuencia para cerrar los enlaces.

Evidentemente, es conveniente proveer un sistema móvil de comunicaciones vía satélite que atenúe las anteriores restricciones, y que utilice de un modo más eficiente los recursos de sistema móvil actual de comunicaciones vía satélite, al mismo tiempo que proporciona una oportunidad mucho mayor para el desarrollo de los sistemas.

Sumario del invento

Un objeto del presente invento es proveer un sistema de comunicaciones inalámbricas con menores limitaciones en la reutilización de frecuencia para comunicaciones de punto a punto.

Otro objeto del presente invento es proveer un sistema de comunicaciones inalámbricas que utiliza transpondedores y terminales móviles individuales que son relativamente sencillos y de poca complejidad.

Un objeto adicional del presente invento es proveer un sistema de comunicaciones inalámbricas con una elevada fiabilidad de sistema por medio de una degradación atenuada.

Es todavía otro objeto del presente invento proveer un sistema de comunicaciones inalámbricas de múltiples transpondedores que permite una combinación flexible de tipos de usuario.

Un objeto que tiene relación con el presente invento es proveer un sistema de comunicaciones inalámbricas de múltiples transpondedores con mejor utilización de los recursos totales del sistema.

De acuerdo con los anteriores y otros objetos del presente invento, se ha provisto un sistema de comunicaciones inalámbricas de múltiples transpondedores. El sistema de comunicaciones inalámbricas incluye una pluralidad de nodos individuales de transpondedor de comunicación Cada uno de la pluralidad de nodos individuales de transpondedor está en comunicación con un concentrador de tierra, de tal manera que una señal tratada por el concentrador de tierra en el enlace directo se radie con retardos de tiempo compensatorios a uno o más de la pluralidad de transpondedores individuales. Las señales radiadas se vuelven a radiar luego por la pluralidad de transpondedores individuales y se reciben y tratan coherentemente por un terminal de usuario móvil. El camino de señal de enlace de retorno es el inverso del enlace directo.

De acuerdo con un objeto del presente invento, el sistema incluye un primer terminal móvil que tiene un espacio de código asignado. El primer terminal móvil recibe la señal re-radiada procedente de uno o más de la pluralidad de transpondedores individuales. El sistema incluye también un segundo terminal móvil que tiene un espacio de código asignado que es diferente del espacio de código del primer terminal móvil. El segundo terminal móvil recibe también la señal re-radiada procedente de uno o más de la pluralidad de transpondedores individuales. El sistema incluye también un tercer terminal móvil que tiene un espacio de código asignado que se solapa total o parcialmente con los espacios de código asignados de cualquiera de los dos o de ambos del primero y segundo terminal móvil. El tercer terminal móvil recibe la señal re-radiada procedente de uno o más de la pluralidad de transpondedores individuales, por lo cual los uno o más transpondedores de los que el tercer terminal móvil recibe la señal son diferentes de los uno o más transpondedores individuales que comunican con cualquiera de los dos terminales móviles primero o segundo que tienen el mismo espacio de código o el espacio solapado de código que el tercer terminal móvil.

Las anteriores y otras características del presente invento resultarán evidentes a partir de la descripción siguiente del invento, cuando se lea de acuerdo con los dibujos adjuntos y con las reivindicaciones incluidas como apéndice.

Breve descripción de los dibujos

La Figura 1 es una ilustración esquemática de la geometría de enlace directo de un sistema móvil de comunicaciones vía satélite de acuerdo con el presente invento;

La Figura 2 es un diagrama esquemático de bloques que ilustra la función de transmisión de señal de un concentrador de tierra para telecomunicaciones para un sistema de comunicaciones inalámbricas de acuerdo con una realización preferida del presente invento;

La Figura 3 es una ilustración esquemática de la geometría del enlace de retorno de un sistema de comunicaciones inalámbricas de acuerdo con una realización preferida del presente invento;

La Figura 4 es un diagrama esquemático de bloques que ilustra la función de recepción de señal de un concentrador de tierra para telecomunicaciones para un sistema de comunicaciones inalámbricas de acuerdo con una realización preferida del presente invento;

La Figura 5 es un diagrama esquemático de flujo que ilustra la arquitectura global para un sistema de comunicaciones inalámbricas de acuerdo con una realización preferida del presente invento; y

La Figura 6 es una ilustración esquemática de un sistema de comunicaciones inalámbricas de múltiples transpondedores que ilustra las señales que se reciben coherentemente por su usuario distante previsto;

La Figura 7 es una ilustración esquemática del sistema de comunicaciones inalámbricas de múltiples transpondedores de la Figura 6 que ilustra las mismas señales que son recibidas incoherentemente por un usuario distante no previsto;

La Figura 8 es una ilustración esquemática de una aproximación convencional a un sistema asíncrónico de CDMA que se podría utilizar de acuerdo con el presente invento;

La Figura 9 ilustra una realización preferida del presente invento aplicada al sistema asincrónico de CDMA de la figura 8;

La Figura 10 es un diagrama esquemático que ilustra la recepción de señales filtradas equilibradas que llegan de nodos de múltiples transpondedores de acuerdo con el sistema preferido de CDMA de la figura 9;

La Figura 11 es un diagrama esquemático que ilustra una distribución ejemplar de usuarios en espacio de código para un sistema de plataforma simple;

La Figura 12 es un diagrama esquemático que ilustra una distribución ejemplar de usuarios en espacio de código - espacio de plataforma para un sistema de plataforma múltiple; y

La Figura 13 es un diagrama esquemático que ilustra una distribución ejemplar alternativa de usuarios en espacio de código - espacio de plataforma para un sistema de plataforma múltiple.

Modo óptimo (o modos óptimos) de realización del invento

Refiriéndose ahora a las figuras, el sistema móvil de comunicaciones descrito se puede utilizar para romper con la limitación del espectro de frecuencias anteriormente mencionada y para proveer unos medios más eficaces para rehusar en múltiples ocasiones el espectro inalámbrico y los satélites móviles asignados. Mediante la eliminación de esta limitación del espectro de frecuencias en la operación de los satélites múltiples, se puede expandir más fácilmente la capacidad máxima de los sistemas actuales de comunicaciones inalámbricas y de satélites móviles.

Con referencia ahora a la Figura 1, se ha representado en ella un sistema móvil de comunicaciones vía satélite de acuerdo con una realización preferida del presente invento. En la Figura 1, se ha ilustrado el sistema móvil 10 de comunicaciones vía satélite en un modo de enlace directo. El sistema móvil 10 de comunicaciones vía satélite incluye un concentrador 12 de tierra para comunicaciones, una constelación de satélites 14 que incluye una pluralidad de satélites individuales 16, y una pluralidad de terminales de mano 18 de usuario tales como teléfonos móviles. Como se describe con detalle más adelante, los terminales 18 de usuario pueden recibir señales 20 simultáneamente de múltiples satélites 16 a través de sus antenas 22 de haz amplio. El concentrador 12 de tierra para comunicaciones está en comunicación con todos los satélites 16 de la constelación 14 de satélites individual y simultáneamente. El concentrador 12 también trata previamente las señales de usuario para compensar por las diferencias de camino antes de enviar señales radiadas 24 a los satélites 16, como se describe más adelante con mayor
detalle.

De acuerdo con la realización preferida, el diseño de los satélites individuales 14 se puede simplificar significativamente sobre los utilizados en los sistemas móviles de la técnica anterior, porque la constelación 14 de satélites funciona como una agrupación de radiación dispersa. Es un hecho conocido que cuanto más satélites 16 se hayan incluido en una constelación 14 de satélites, mejor será el rendimiento del sistema móvil 10 de comunicaciones vía satélite. Son preferibles los satélites que sean sencillos, pequeños, y que aporten un alto rendimiento. Esto se debe a que el rendimiento del sistema 10 depende en mayor proporción de la constelación 14 de satélites que de los satélites individuales 16.

En un modo de transmisión, representado en la Figura 1, los satélites individuales 16 radian potencia de RF modulada a un campo de visión elegido ("FOV"). El sistema 10 todavía es operable con capacidad reducida y sin reconfiguración incluso si por alguna razón se pierde un satélite individual 16. Como resultado, el sistema 10 dispone de unas características atenuadas de degradación y provee una fiabilidad y una disponibilidad muy elevadas. La mayor parte de la complejidad del sistema 10 está situada en los concentradores 12 de tierra, que localizan y rastrean a los usuarios potenciales y realizan las funciones principales de formación de haz y filtración, como se describe más adelante.

Como se muestra en la Figura 2, se ha ilustrado esquemáticamente el tratamiento realizado en el concentrador 12 de tierra para telecomunicaciones. El concentrador 12 rastrea, actualiza, y predice con antelación la información diferencial variante con el tiempo entre diversos caminos entre el concentrador 12 y los terminales previstos 18 de usuario. La precisión de esta información debe estar dentro de una décima de una longitud de onda de RF. Para sistemas de satélites de frecuencia ultraelevada (en adelante UHF), la precisión requerida de diferencia de camino es preferiblemente de alrededor de diez (10) centímetros. Para las constelaciones de satélites móviles de las bandas S y L, la precisión debe estar en el orden de un (1) centímetro. Desafortunadamente, las técnicas convencionales o de GPS no son capaces de proveer la precisión requerida.

De acuerdo con el presente invento, la precisión requerida de las diferencias de camino equivalentes, incluyendo toda la distorsión de propagación, se puede proveer usando técnicas de calibración activa bidireccional y técnicas R2N (navegación de alcance bidireccional) Una técnica R2N es justamente una técnica para obtener información de posicionamiento mediante la cual se localice con precisión el posicionamiento de los satélites y usuarios usando múltiples emplazamientos de calibración, y se describe en la solicitud copendiente de patente de EE.UU. con Número de serie 09/209.062, titulada "Método y sistema para determinar una posición de una unidad de transmisor-receptor que incorpora la navegación de alcance bidireccional como una referencia de calibración para GPS", y presentada el 10 de diciembre de 1998. Se podrían utilizar también otras técnicas conocidas.

El concentrador 12 de tierra para telecomunicaciones tiene un centro de tratamiento 26 que trata cada señal y que se ha mostrado en un modo de transmisión en la Figura 2. El concentrador 12 tiene la capacidad de controlar a la pluralidad de satélites 16 individualmente mediante el uso de discriminación espacial de antena para proveer señales separadas a diferentes satélites. Alternativamente, se puede usar también la identificación de código para controlar independientemente diferentes satélites.

Como se muestra en la Figura 2, suponiendo que haya "H" usuarios, las señales procedentes desde el usuario 1 hasta el usuario H, se introducen como entrada al centro de tratamiento 26. La posición de los diversos usuarios (1 hasta H) se determina en general mediante los circuitos de las diversas señales 28 de usuario, designadas con el número 30. Las señales de los diversos usuarios 28 para el usuario 1 al usuario H se combinan luego para su transmisión a los diferentes satélites 16, como se ha indicado en general con el número de referencia 32. En este caso, la señal se envía a N satélites. Las señales combinadas luego se amplifican, se filtran, se convierten en sentido ascendente, y después se amplifican adicionalmente, como se ha indicado en general con el número de referencia 36. Estas señales se descargan luego a una antena 38 de haz múltiple en la que se realiza el tratamiento de formación de haz para que las señales se puedan transmitir a los N satélites por medio de señales de radiación 24. El proceso de formación de haz se puede hacer en banda base o en una banda de frecuencia intermedia (en adelante IF) de baja frecuencia por medios analógicos o digitales. Para un ancho de banda bajo (señales de menos de unos pocos MHz), la implementación digital puede aportar ventajas de coste. La señal tratada 24, radiada desde el concentrador 12 de tierra a cada satélite, se amplifica, se filtra, y luego se vuelve a radiar por cada uno de los múltiples satélites 16 para llegar simultáneamente a una ubicación de usuario designada. Por consiguiente, las señales radiadas desde los múltiples satélites se recibirán de un modo coherente por un sencillo terminal 22 de mano.

De un modo equivalente, el efecto del tratamiento espacial realizado por el centro de tratamiento 26 es concentrar la intensidad de señal sobre el usuario desde múltiples satélites 16, que actúan como partes separadas de forma dispersa de un gran reflector activo. Por tanto, el tratamiento sobre el terreno introducirá diferentes retardos de tiempo en las señales 24 que se radian a través de diversos caminos. Los retardos de tiempo se introducirán en las señales 24 como si los satélites estuviesen situados sobre una superficie elipsoidal, cuyos dos focos estén situados exactamente en el concentrador 12 y en las posiciones 18 de usuario previsto, respectivamente. En las constelaciones de órbita terrestre baja y media, los usuarios 18 y el concentrador 12 estarán siempre en el campo próximo de la agrupación dispersa.

En un modo de recepción, representado en la Figura 3, los satélites individuales 16 recogen señales de RF procedentes del mismo FOV. La Figura 3 ilustra la geometría del enlace de retorno para recibir las señales enviadas desde los terminales 18 de usuario al concentrador 12 de tierra para telecomunicaciones. Como se muestra en la Figura 3, hay dos grupos de enlaces implicados: los enlaces entre los usuarios 18 y los satélites 16, indicados en general por el número de referencia 40, y los enlaces entre los satélites 16 y el concentrador 12, indicados en general por el número de referencia 42. Para conseguir un rendimiento óptimo, las antenas 22 de usuario preferiblemente son capaces de iluminar a todos los satélites 16 involucrados. Esto conduce a una restricción sobre la variación de la ganancia de la antena 22 de usuario sobre el sistema multiterminal.

Lo mismo que en el caso de la geometría de enlace directo, los satélites 16 amplificarán las señales 40 recibidas de los usuarios 18 y re-radiarán las señales 42 hacia el concentrador 12. El concentrador 12 puede recibir las señales 42 con independencia, pero simultáneamente de los satélites 16, y sumará las señales 42 procedentes de diferentes satélites de un modo coherente en la unidad de post-tratamiento 44 como se ha ilustrado en la Figura 4.

Los flujos de señal del diagrama de bloques mostrado en la Figura 4 ilustran la función de recepción de la unidad de post-tratamiento 44 y del concentrador 12. Los flujos de señal son invertidos con respecto a los correspondientes de la Figura 2 Por tanto, no se repetirá detalladamente el proceso de recepción. Sin embargo, los enlaces 42 desde los satélites 16 al concentrador 12 se reciben en el formador de haz 38 y luego se transfieren al receptor y a los convertidores de modo descendente 46 antes de que se separen las señales. Las señales se separan dependiendo del usuario del que se han recibido, como se ha indicado en general con el número de referencia 48, y luego se envían al usuario específico 1 a H, como se ha indicado en general con el número de referencia 50. Debe entenderse que tanto la función de recepción como la de transmisión constituyen una parte necesaria de la calibración de enlaces de camino y del posicionamiento de usuarios.

La técnica del presente invento ha demostrado que reduce significativamente los niveles medios de los lóbulos laterales. Se ha determinado que esto se debe a tres factores. En primer lugar, la arquitectura propuesta no es una agrupación periódica, sino más bien una agrupación dispersa espaciada de forma aleatoria, que no tiene lóbulos de rejilla. Aunque el nivel medio de lóbulo lateral en una sola frecuencia es relativamente alto, el nivel decrece al aumentar el ancho de banda. En segundo lugar, la agrupación llena con amplia dispersión formada por satélites móviles es de un tamaño de abertura muy extendido. Por tanto, todos los usuarios sobre el terreno están en el campo cercano de la abertura extendida, y los frentes de onda recibidos por todos los usuarios son esféricos en lugar de planos. Por consiguiente, los efectos de la dispersión se vuelven mucho más pronunciados que en el caso del campo lejano. La dispersión crece muy rápidamente cuando una sonda se busca alejándose del haz principal y la dispersión perjudica a la distribución de potencia muy eficazmente sobre un ancho de banda finito de señal. En tercer lugar, el sistema de comunicaciones se diseña preferiblemente con un espectro amplio de ancho de banda de frecuencia. Por tanto, la señal de información se esparcirá sobre este ancho de banda a través del CDMA o por medio de formas de onda de corta duración para esquemas de acceso múltiple con división de tiempos (en adelante TDMA).

La Figura 5 ilustra esquemáticamente el funcionamiento del invento, que permite aumentar el re-uso de un preciado espectro de frecuencias por múltiples satélites. Las ventajas aportadas por este sistema incluyen la carencia de limitación sobre el re-uso de frecuencia por satélites adicionales para comunicaciones de punto a punto. Más bien, la capacidad de este sistema está limitada solamente por la potencia total de RF de los satélites. Además, la realización preferida permite el uso de diseños de satélite sencillos y económicos, porque cuanto más satélites se incluyan en la constelación, mejor será el rendimiento del sistema global. El sistema proporciona también una elevada fiabilidad de sistema por medio de una degradación atenuada, así como un tratamiento complejo de concentración en los concentradores.

La realización preferida crea una demanda para un gran número de satélites de bajo coste y también usa técnicas R2N para realizar el posicionamiento de satélites y usuarios. Cuantos más usuarios utilicen este sistema, con más precisión se podrán determinar las posiciones de satélites y usuarios. Sin embargo, aún más importantes que las posiciones reales de los usuarios y de los satélites son las longitudes de los caminos recorridos por las señales. Por tanto, las técnicas de calibración periódica aplicadas directamente a estas longitudes de camino podrían ser mucho más sencillas y con más efecto sobre los costes. Además, el sistema aporta también el beneficio de unos anchos de banda de porcentaje amplio disponibles con los sistemas de CDMA y TMDA.

Como se ha mostrado en la Figura 5, el presente invento está dividido hasta en tres segmentos: un segmento 52 de concentrador que contiene el concentrador 12 de tierra para telecomunicaciones, un segmento espacial 54 que contiene una pluralidad de satélites individuales 16, y un segmento 56 de usuarios, que tiene una pluralidad de terminales 18 de usuario. El segmento de concentrador tiene también un centro de tratamiento 26 y una unidad de post-tratamiento 44 para tratar las señales recibidas y transmitidas.

Los terminales 18 de usuario reciben y transmiten señales simultáneamente de/a múltiples satélites 16 por medio de sus antenas de haz ancho. Los terminales 18 de usuario no requieren capacidad alguna para controlar por separado los satélites individuales 16 del segmento espacial 54. El concentrador 12 mantiene enlaces con cada uno de los satélites 16 del segmento espacial 54 individual y simultáneamente. El concentrador 12 trata previamente las señales destinadas para cada usuario distante en transmisión y post-trata las señales suministradas a cada usuario local en recepción, para compensar por las diferencias de camino. Estas correcciones se calculan por separado y se aplican a las señales transmitidas a - o recibidas de - cada satélite 16 del segmento espacial 54 para cada usuario.

La Figura 6 ilustra un sistema 100 de comunicaciones multi-plataforma con un rendimiento mejorado en cuanto a la reutilización de frecuencia de acuerdo con una realización preferida del presente invento. En particular, el sistema representado en la Figura 6 usa codificación de CDMA para subdividir los recursos de frecuencia entre los diversos usuarios. El sistema 100 permite que una pluralidad de transpondedores 102, 104 reciban señales 106, 108 del concentrador 110 de tierra y transmitan las señales 112, 114 en la misma frecuencia con menos interferencias al usuario previsto 116 debidas a señales destinadas para otros usuarios. Esto se logra mediante la sincronización de la señales transmitidas en el concentrador de tal manera que el usuario previsto 116 reciba todas las señales 112, 114 de un modo sincrónico y completamente en fase.

Basándose en las distancias desde el concentrador 110, a los diversos transpondedores 102, 104 y en las distancias entre los transpondedores 102, 104 y el usuario previsto 116, los retardos apropiados de tiempo de compensación se calculan e inyectan en cada mensaje de enlace directo en el concentrador, de tal manera que el usuario previsto reciba coherentemente una señal combinada desde todos los transpondedores según se ha indicado con carácter general en 118. El enlace directo al usuario previsto 116 sigue la secuencia en el concentrador 110 al primer transpondedor 102 hasta el usuario 116 (concentrador \rightarrow transpondedor \rightarrow usuario 1) y también desde el concentrador 110 al segundo transpondedor 104 hasta el usuario 116 (concentrador \rightarrow transpondedor 2 \rightarrow usuario 1). Usando el retardo de tiempo correcto en cada enlace directo, todas las señales previstas 112, 114 llegarán al usuario previsto 116 en fase. Recíprocamente, las mismas señales destinadas para el usuario previsto 116 llegarán desfasadas en un usuario no previsto 120 y a todos los usuarios no previstos del área. Esto se muestra en la Figura 7, que se describe más adelante.

La Figura 7 ilustra el funcionamiento del sistema de la Figura 6 con respecto al usuario no previsto 120. La distancia entre el concentrador 116 y el primer transpondedor 102 y la distancia entre el primer transpondedor 102 y el usuario no previsto 120 (concentrador \rightarrow transpondedor 1 \rightarrow usuario 2) y la distancia entre el concentrador 116 y el segundo transpondedor 104 y la distancia entre el segundo transpondedor 104 y la distancia entre el segundo transpondedor 104 y el usuario no previsto 120 (concentrador \rightarrow transpondedor 2 \rightarrowusuario 2) son diferentes en este caso. Debido a las diferencias de distancia, las señales 122, 124 llegarán al usuario no previsto 120 en unos tiempos diferentes y desfasadas. La señal combinada aparecerá así como ruido y puede rechazarse como tal por el terminal del usuario no previsto 120.

Debe entenderse que los transpondedores 102, 104 pueden ser una parte de cualquier tipo de sistema de comunicaciones inalámbricas o incluso pueden seleccionarse de varios de dichos sistemas. Por ejemplo, aunque se ha ilustrado un sistema basado en espacio que usa satélites, se podrían utilizar también redes celulares regionales y nacionales basadas en torres para comunicaciones fijas y móviles. Adicionalmente, se podría utilizar también cualquier sistema de plataformas de gran altitud, tales como aeronaves tripuladas/no tripuladas, globos, o aeroplanos. Además, aunque solamente se han representado dos transpondedores, se podría utilizar un número ilimitado de transpondedores. Más aún, aunque se han mostrado los múltiples transpondedores como formando parte de un sistema unitario, se puede usar cualquier combinación de transpondedores para transmitir señales de acuerdo con el presente invento. Por ejemplo, una señal se podría transmitir a un usuario por medio de un sistema basado en espacio y de un sistema de plataformas de gran altitud. Finalmente, se podrían usar conjuntos diferentes de transpondedores para comunicar con diferentes usuarios. Estos diversos conjuntos se podrían solapar en su totalidad, en parte o no solaparse.

Como se sabe, en los sistemas convencionales de CDMA con un solo transpondedor, se asignan códigos exclusivos de CDMA a cada usuario para evitar interferencias. Similarmente, en sistemas de múltiples transpondedores, cuando dos o más transpondedores están sirviendo a la misma ubicación geográfica, se deben usar códigos exclusivos de CDMA para distinguir las diversas señales y para evitar interferencias. Por ejemplo, como se ha mostrado en la Figura 8, que ilustra un sistema convencional de CDMA con múltiples transpondedores, el usuario 116 debe utilizar códigos diferentes para las señales 112, 114 recibidas de los dos transpondedores diferentes 102, 104. De ese modo, se asignan dos códigos distintos, "código 1" y "código 3" al mismo usuario 116 en este ejemplo, asignándose "código 1" a la señal 112 y "código 3" a la señal 114. Si ambos transpondedores 102, 104 tuviesen que transmitir en "código 1", las dos señales recibidas 112, 114 se interferirían entre sí y el terminal del usuario 116 sería incapaz de descodificar las señales correctamente. Se deben asignar dos códigos adicionales a cada usuario adicional, por ejemplo al usuario 128 se le asignan los códigos 2 y 4.

Los diversos códigos de CDMA para usuarios situados conjuntamente pueden ser sincrónicos o asincrónicos. Un código ortogonal sincrónico da una ventaja de aproximadamente 15 dB o más sobre los códigos asincrónicos de CDMA. Para plataformas múltiples, es difícil sincronizar códigos de CDMA entre usuarios. Por tanto, para el sistema de multi-plataforma descrito, se supone una comunicación de CDMA asincrónica. Aunque los nodos de transpondedores múltiples aumentan la disponibilidad del sistema y los recursos totales de potencia, infrautilizan el pleno potencial del sistema, porque hay disponibles solamente un número finito de códigos debido al ancho de banda finito disponible para un sistema. De este modo, el ancho de banda total limita el número de usuarios que puede servir el sistema y el sistema es incapaz de utilizar plenamente la potencia y capacidad para las que fue diseñado.

En la realización preferida, el sistema 100 es un sistema de CDMA asincrónico que utiliza retardos de tiempo empotrados según se ha descrito en la solicitud copendiente de patente con Nº de serie 09/550.505, presentada el 17 de abril de 2000 y titulada "Sincronización coherente de señales de acceso múltiple con división de código" (corresponde al documento EP Número de serie 01 109 086, presentado el 12 de abril de 2001). De acuerdo con el sistema preferido, las señales 112, 114 de cada transpondedor 102, 104 llegarán completamente en fase porque se han predeterminado y aplicado retardos de tiempo apropiados a las señales 112, 114 en el concentrador central 100, como se ha mostrado en la Figura 9. Debe entenderse que se pueden utilizar también otros métodos de retardo de tiempo.

Como se ha mostrado, el primer usuario 116 recibe señales 112 de cada uno de los transpondedores 102, 104 usando el mismo código ("código 1"). Similarmente, el segundo usuario recibe señales 114 de cada uno de los transpondedores 102, 104 usando el mismo código ("código 2"). El concentrador central 110 determina el retardo de tiempo entre los usuarios y el concentrador para señales transmitidas o recibidas por medio de cada transpondedor e introduce los retardos apropiados para igualar el retardo total por medio de cada transpondedor. De este modo, las señales previstas de diferentes transpondedores llegarán todas al usuario previsto en fase, mientras que las señales no previstas llegarán desfasadas.

La Figura 10 ilustra la suma o filtración equilibrada de señales en un terminal de usuario de acuerdo con el presente invento. La filtración equilibrada de CDMA de la señal total recibida de todos los transpondedores en el terminal produce una intensidad de señal mayor cuando hay múltiples satélites. Como se ha descrito anteriormente, las señales de CDMA que no están destinadas al usuario aparecerán como ruido y se pueden suprimir. De ese modo, se puede volver a usar el mismo código de CDMA bajo ciertas restricciones.

Con referencia a la Figura 10, el número de referencia 130 indica generalmente tres secuencias de entrada de información que están llegando en fase. Cada una de las señale de este ejemplo tiene una longitud de código de seis, y las señales han experimentado una filtración equilibrada para formar una señal que se ha representado en general por 132, y la intensidad de señal fuera del filtro no equilibrado se determina de acuerdo con la ecuación

1

El número de referencia 134 indica generalmente tres secuencias de entrada que están llegando desfasadas. En este ejemplo, cada una de las señales tiene una longitud de código de seis; las señales han experimentado una filtración equilibrada y aparecen como ruido según se ha representado con carácter general por 136. La potencia de interferencia o de ruido se expresa de acuerdo con la ecuación

2

\newpage

Se ha determinado que la relación señal - ruido para un usuario típico viene dada por la siguiente ecuación:

3

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donde

S= potencia de señal;

N_{I} = potencia de ruido de interferencia;

n_{c} = longitud de código CDMA;

n_{t} = Nº de transpondedores; y

n_{u} = Nº de usuarios totales.

Además, se ha determinado que en tanto que los usuarios estén separados por una distancia suficientemente lejana, se puede volver a usar el mismo código de CDMA sin degradar significativamente la relación señal - ruido. De este modo, la capacidad del sistema es proporcional a n_{c} y n_{t}.

Con el fin de describir el funcionamiento del concepto expuesto, se describe un sistema ejemplar de multi-plataforma. El sistema ejemplar de multi-plataforma consiste en cuatro plataformas (P1, P2, P3, P4) y cuatro códigos a elegir (C1, C2, C3, C4). En la Figura 11, suponiendo una capacidad de potencia determinada para cada plataforma y el espacio total de código necesario para soportar un usuario A si solamente hay una plataforma P1, se ilustra la distribución de usuarios en el espacio de código.

Refiriéndose ahora a la Figura 12, que es otro sistema ejemplar de multi-plataforma que consiste en cuatro plataformas (P1, P2, P3, P4) y cuatro códigos de elección (C1, C2, C3, C4), este sistema ilustra cuatro usuarios similares (A, B, C, D) que podrían estar situados en un mismo lugar. El concepto de CDMA descrito anteriormente permite que las señales procedentes de las diversas plataformas se combinen coherentemente para cada usuario, y también permite que los usuarios se distribuyan en un espacio bidimensional. El efecto neto de este ejemplo es que la capacidad total de comunicación es n_{t} veces mayor. Como se muestra en la figura, el espacio de plataforma se comporta como espacio de código según se ha indicado por la ecuación anterior (1). Además, se puede utilizar la capacidad total del sistema cuando todos los usuarios utilizan todas las plataformas.

De acuerdo con una realización preferida del presente invento, el espacio de plataforma se trata como una nueva dimensión de recurso. Como se muestra en la Figura 13, el sistema preferido permite que los usuarios individuales utilicen menos del número total de plataformas o de transpondedores de un sistema determinado. Así, para el sistema ejemplar mostrado, el espacio de plataforma incluye cuatro plataformas (P1, P2, P3, P4) y el espacio de código incluye cuatro códigos distintos (C1, C2, C3, C4). Debe entenderse que se pueden utilizar cualquier número de plataformas y de códigos. Con las configuraciones descritas anteriormente, un usuario asignado a un código particular utilizaría todas las plataformas para cerrar los enlaces directo y de retorno. Esto resultaba en que se utilizaba toda la capacidad del sistema.

Como se muestra en la Figura 13, que constituye simplemente un ejemplo a título ilustrativo, el sistema descrito no está limitado por el tamaño del espacio de plataforma ni por el tamaño del espacio de código por sí solos. El sistema puede soportar usuarios (A, B, C, D, E, F) que sean todos de tipos diferentes, es decir, que tengan diferentes capacidades de ancho de banda u otras características. Así, los usuarios A y F utilizan todas las plataformas a través de un espacio de código dado,. El usuario B utiliza solamente una plataforma a través de dos códigos. Esta configuración permite que los usuarios C, D y E utilicen cada uno el mismo espacio de código (o un espacio de código que se solape) que el usuario B con plataformas diferentes.

El diagrama de espacio de plataforma-espacio de código mostrado en la Figura 13 incluye una pluralidad de celdas individuales (a las que de ahora en adelante en la presente memoria se les denominará también "tolva" o "tolvas") estando asociada cada celda individual con un espacio de código particular y con una espacio de plataforma particular. El número de celdas, mostrado en la Figura 13, es igual al número de plataformas multiplicado por el número de códigos. Así, en la Figura 13, existen dieciséis celdas individuales, estando situada la primera celda en el diagrama en la posición de coordenadas identificada por (P_{1}, C_{1}). y estando situada la última celda en el diagrama en la posición de coordenadas (P_{1}, C_{1}). Los expertos en la técnica conocerán y entenderán la identificación de las otras celdas. En esta configuración, ninguna celda individual puede ser utilizada por más de un usuario en cualquier instante
determinado.

Se puede ver que el funcionamiento del sistema descrito permite que una variedad de tipos de usuario utilicen el sistema en cualquier instante dado (con diferentes velocidades de variación de datos y ganancias de antena). Cada uno utiliza un número flexible de plataformas y códigos. Es posible que la capacidad del sistema no pueda utilizarse plenamente en comparación con realizaciones anteriores. Sin embargo, dicha flexibilidad mejora la respuesta del sistema a las demandas reales del mercado. Por ejemplo, podría ser que un terminal de usuario de más potencia no tuviese necesidad de todas las plataformas para obtener la calidad de servicio prevista.

Una vez descrito plenamente el invento, a los expertos en la técnica les resultará evidente que se pueden hacer muchos cambios y modificaciones al mismo sin apartarse del alcance del invento según se ha especificado en las reivindicaciones adjuntas.

Claims (10)

1. Un sistema móvil (100) de comunicaciones inalámbricas para una variedad de diferentes tipos de usuario móvil (116, 120) que comprende:

una pluralidad de nodos de transpondedor basados en plataforma (P_{1}, P_{2}, P_{3}, P_{4});

unos medios destinados a proveer una pluralidad de unidades individuales de recurso (P_{1}-C_{1}, P_{4}-C_{4}) cada uno asociado con uno en particular de uno de dicha pluralidad de nodos de transpondedor (P_{1}, P_{2}, P_{3}, P_{4}) y uno de una pluralidad de códigos de CDMA disponibles (C_{1}, C_{2}, C_{3}, C_{4}) cuya pluralidad de unidades de recurso crea una plataforma- espacio de código; y

una pluralidad de terminales móviles (116, 120), cada uno de los cuales está asignado a operar en una o más de dicha pluralidad de unidades de recurso individuales;

unos medios para asignar cada una de dicha pluralidad de unidades de recurso individuales (P_{1}-C_{1}, P_{4}-C_{4}) como máximo a una de dicha pluralidad de terminales móviles (116, 120) en cualquier instante; y

un concentrador central (110) de tratamiento, que establece enlaces a uno o más de dichos usuarios (116, 120) a través de uno o más de dicha pluralidad de nodos de transpondedor (102, 104) en el que el nodo de transpondedor y el código específicos usados para completar cada uno de dichos enlaces vienen determinados por las unidades de recurso (P_{1}-C_{1}, P_{4}-C_{4}) asignadas al usuario;

en el que dicho concentrador central (110) de tratamiento está destinado a tratar previamente las señales para transmisión de enlace directo de tal manera que se radien con retardos de tiempo compensatorios a un usuario previsto de dicha pluralidad de usuarios móviles (116, 120) que recibe coherentemente todas de las citadas señales previstas para él.

2. El sistema de la reivindicación 1,

en el que dicho concentrador central (110) de tratamiento efectúa un post-tratamiento de las señales recibidas para introducir retardos de tiempo compensatorios de tal manera que todas las citadas señales recibidas de un usuario distante en particular se puedan tratar juntas de un modo coherente.

3. El sistema de las reivindicaciones 1 ó 2, caracterizado porque cada uno de dicha pluralidad de nodos individuales de transpondedor (102, 106) se selecciona con independencia de entre uno de los tipos de sistema siguientes: un sistema basado en espacio, un sistema de plataformas de gran altitud, una red celular basada en torres, o una aeronave tripulada/no tripulada.

4. El sistema de la reivindicación 2, caracterizado porque al menos a uno de dicha pluralidad de terminales móviles (116, 120) se le asignan unidades de recurso en dicho conjunto de espacio de código-espacio de plataforma para dicho enlace de retorno que son diferentes de dichas unidades de recurso de dicho conjunto de espacio de código- espacio de plataforma asignado para dicho enlace directo.

5. Un método para establecer una pluralidad de enlaces de comunicación a una pluralidad de usuarios diferentes, que comprende:

proveer una pluralidad de nodos individuales de transpondedor (102, 104) basados en plataforma;

proveer códigos de CDMA;

proveer una pluralidad de unidades de recurso (P_{1}-C_{1}, P_{4} - C_{4}), siendo cada unidad de recurso un par de una plataforma particular y de un código particular, y cuya pluralidad de unidades forma un conjunto de espacio de plataforma- espacio de código;

tratar una pluralidad de señales (16, 108) de usuario local en un concentrador (110) de tierra para compensar por las diferencias de retardo de propagación a uno cualquiera de una pluralidad de usuarios distantes (116, 120);

asignar a cada uno de dicha pluralidad de usuarios distantes (106, 108) una o más unidades de recurso (P_{1}-C_{1}, P4- C_{4}) del conjunto de espacio de plataforma-espacio de código;

en el que dichas unidades de recurso (P_{1}-C_{1}, P_{4}-C_{4}) asignadas a un usuario para utilizar en el enlace directo podrían ser las mismas que las asignadas para utilizar en el enlace de retorno;

en el que cada unidad de recurso (P_{1}-C_{1}, P_{4}-C_{4}) asignada a un usuario particular le permite transmitir señales al o desde el concentrador (110) a través de un nodo de transpondedor particular (102, 104) usando un código de CDMA particular.

6. El método de la reivindicación 5, caracterizado porque al menos uno de dicha pluralidad de nodos de transpondedor (102, 104) se selecciona de un sistema de plataformas de gran altitud.

7. El método de la reivindicación 5, caracterizado porque dicho sistema de plataformas de gran altitud incluye una pluralidad de aeronaves tripuladas/no tripuladas.

8. El método de la reivindicación 6, caracterizado porque dicho sistema de plataformas de gran altitud comprende una pluralidad de globos de gran altitud.

9. El método de las reivindicaciones 5 ó 6, caracterizado porque al menos uno de dicha pluralidad de nodos de transpondedor (102, 104) se selecciona de una red celular basada en torres.

10. El método de las reivindicaciones 5 ó 6, caracterizado porque al menos uno de dicha pluralidad de nodos de transpondedor se selecciona de un sistema basado en el espacio.